Разблокировка суперспособностей PNA для самосборки наноструктур
Исследователи из Университета Карнеги-Меллон разработали метод самосборки наноструктур с использованием гамма-модифицированной пептидной нуклеиновой кислоты (γPNA) — синтетического аналога ДНК. Этот процесс может повлиять на нанопроизводство, а также на будущие биомедицинские технологии, такие как таргетная диагностика и доставка лекарств.
Работа, опубликованная на этой неделе в Nature Communications, представляет собой новое направление в науке — γPNA-нанотехнологию, которая позволяет осуществлять самосборку в растворах органических растворителей, то есть в агрессивных средах, используемых при синтезе пептидов и полимеров. Это открывает перспективы для нанопроизводства и наносенсорики.
Исследовательская группа под руководством доцента кафедры машиностроения Ребекки Тейлор сообщила, что γPNA может образовывать нановолокна в растворах органических растворителей длиной до 11 микрон (более чем в 1000 раз длиннее их ширины). Это первые сложные наноструктуры, полностью состоящие из PNA, сформированные в органических растворителях.
Тейлор, возглавляющая Лабораторию микросистем и механобиологии в Карнеги-Меллон, хочет использовать «суперспособности» PNA. Помимо более высокой термической стабильности, γPNA сохраняет способность связываться с другими нуклеиновыми кислотами в смесях органических растворителей, которые обычно дестабилизируют структурную ДНК-нанотехнологию. Это означает, что они могут формировать наноструктуры в средах, которые препятствуют образованию ДНК-наноструктур.
Еще одно свойство γPNA заключается в том, что она менее скручена, чем двойная спираль ДНК. Следствием этого различия является то, что «правила» проектирования наноструктур на основе PNA отличаются от правил для структурной ДНК-нанотехнологии.
«Как инженеры-механики, мы были готовы к решению структурной задачи проектирования, — сказала Тейлор. — Из-за необычной спиральной закрутки нам пришлось разработать новый подход к соединению этих частей».
Поскольку исследователи в лаборатории Тейлор стремятся использовать динамическое изменение формы в своих наноструктурах, они были заинтригованы, обнаружив, что морфологические изменения — такие как упрочнение или распутывание — происходят при включении ДНК в γPNA-наноструктуры.
Другие интересные характеристики, которые исследователи хотят изучить дальше, включают растворимость в воде и агрегацию. В воде эти нановолокна имеют тенденцию слипаться. В смесях органических растворителей лаборатория Тейлор продемонстрировала, что может контролировать, будут ли структуры агрегировать, и Тейлор считает, что эту агрегацию можно использовать как полезное свойство.
«Эти нановолокна следуют правилам связывания Уотсона-Крика для ДНК, но, по мере увеличения размера и сложности структур PNA, они ведут себя все больше как пептиды и белки. ДНК-структуры отталкиваются друг от друга, а эти новые материалы — нет, и потенциально мы можем использовать это для создания адаптивных поверхностных покрытий», — сказала Тейлор.
Синтетическая молекула γPNA воспринималась как простой аналог ДНК с желательными свойствами, такими как высокая биологическая стабильность и сильное сродство к комплементарным нуклеиновым кислотам.
«Мы считаем, что эта работа может изменить это восприятие, дополнительно подчеркнув способность γPNA действовать двояко: как мимик пептидов из-за ее псевдопептидного остова и как мимик ДНК из-за ее последовательной комплементарности. Это изменение восприятия может позволить нам понять множественные возможности, которые эта молекула может использовать в мире дизайна PNA-наноструктур», — сказал Шрирам Кумар, кандидат наук в области машиностроения и первый автор статьи.
Хотя PNA уже используется в передовых методах генной терапии, потенциал этого синтетического материала еще предстоит полностью изучить. Если сложные PNA-наноструктуры когда-нибудь удастся сформировать в водных растворах, команда Тейлор надеется, что дополнительные области применения будут включать устойчивые к ферментам наномашины, такие как биосенсоры, средства диагностики и нанороботы.
«PNA-пептидные гибриды создадут совершенно новый инструментарий для ученых», — сказала Тейлор.
Исследователи использовали специальные гамма-модификации PNA, разработанные лабораторией Дэнита Ли в Карнеги-Меллон. В будущих работах будут исследоваться левозакрученные γPNA в процессе нанопроизводства. Для будущих биомедицинских применений левозакрученные структуры представляли бы особый интерес, поскольку они не несли бы риска связывания с клеточной ДНК.
Эта работа является результатом междисциплинарного сотрудничества. Среди соавторов — кандидат наук по химии Александр Пирс и кандидат в магистратуру по машиностроению Ин Лю. Финансирование было предоставлено Национальным научным фондом и Управлением научных исследований ВВС.